0 引 言
近年来，月球极区水冰探测已成为美国、中国、俄罗斯、日本、印度等国际科学大国月球探测任务的竞争制高点[11-13]。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的“阿尔忒弥斯”计划（Artemis Program）的主要目标就是明确月球南极水冰的分布，并开展水冰资源的原位利用。俄罗斯的“月球”27（Luna-27）任务的目标之一也是探测南极的水冰等挥发分。日本和印度计划联合开展的“月球极区探测任务”（Lunar Polar Exploration Mission，LUPEX）也将着陆月球南极，并探测永久阴影区内的水冰含量。目前，已开展的遥感与撞击任务探测结果表明月球南北两极，特别是永久阴影区可能存在水冰以及其他挥发分。由于撞击翻耕、太空风化等作用，水冰的空间分布不均匀[14-16]。然而，由于缺少更多高精度的轨道探测数据，以及缺乏水冰的就位观测证据，极区水冰是否存在的明确证据、水冰分布与含量以及极区水冰来源等一系列科学问题尚未得到解决。
1 月球极区水冰探测与研究进展
针对月球极区水冰的研究最早可以追溯到20世纪50—60年代。Watson等[18]和Urey等[19]基于理论预测，认为月球南极的撞击坑可能有冷阱存在并且保存着水冰。在20世纪90年代，通过分析搭载于“月球勘探者”（Lunar Prospector）任务的中子谱仪探测结果，Feldman等[20]发现月球极区浅层1 m以内的月壤中氢（H）含量要明显高于低纬度区域。进入到21世纪后，随着各国月球与深空探测任务的持续开展，对于月球极区是否有水或水冰，以及它们可能的空间分布特征等方面的认知有了极大的提高。利用印度“月船”1号搭载的月球矿物测绘仪（Moon Mineralogy Mapper，M3）得到的红外光谱数据，Pieters等[21]观测到了月表水（H2O/OH）含量会随着纬度升高而增大，尤其在更冷的极区，水的含量会有显著上升，并且认为太阳风注入可能是月表水的主要来源。针对NASA的深度撞击任务（Deep Impact）及卡西尼（Cassini）VIMS获取的红外光谱数据的分析结果，也同样支持月球极区可能会有更高的水含量[22-23]。
2009年，NASA发射了一颗月球探测卫星，称为月坑观测和传感卫星（Lunar Crater Observation and Sensing Satellite，LCROSS）。该任务的核心科学目标就是通过撞击的方式，探测南极永久阴影坑内是否存在水冰[14]。LCROSS任务是利用一个半人马座火箭撞击了位于南极的Cabeus撞击坑内的永久阴影区，然后通过另一个“牧羊”号飞船，利用其搭载的光谱仪和相机等科学载荷去观测撞击之后产生的溅射物和气体中是否有水和挥发分。根据撞击羽流的光谱观测结果，Colaprete等[14]发现这些溅射物羽流中含有水蒸气和固体水冰颗粒，也存在多种挥发分，如H2S、NH3、SO2、C2H4、CO2和CH4等。此外，他们推算出LCROSS撞击点月壤中的水冰含量约为（5.6±2.9）wt%[14]。LCROSS撞击观测结果具有非常重要的科学价值，因为相比于红外光谱的探测对象主要是暴露于月表的水冰，LCROSS通过撞击可能挖出了永久阴影区地下的水冰。此外，在LCROSS撞击点发现了比水冰更易升华的挥发分如H2S和CO2，考虑到该区域的温度极低（年平均温度约40 K[24]），这表明温度可能是影响这些挥发分稳定赋存的主导因素。
近十多年的雷达、光谱等多种遥感探测手段，进一步说明月球两极特别是永久阴影区冷阱内可能存在水冰，但是水冰在冷阱内的空间分布不均匀。Thomson等[25]使用了搭载于月球勘测轨道飞行器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）的Mini-RF雷达探测数据，发现在南极沙克尔顿撞击坑内雷达回波的圆极化率（Circular Polarization Ratio，CPR）较大。由于较大的CPR值不一定意味着水冰存在，他们进一步利用数值模拟，给出了沙克尔顿区域水冰含量的上限值（≤（5~10）wt%）。Hayne等[15]基于LRO搭载的莱曼阿尔法测绘仪（Lyman Alpha Mapping Project，LAMP）的紫外反照率光谱分析结果，并结合月球勘测轨道器辐射计实验（Diviner Lunar Radiometer Experiment，Diviner）表面温度的观测值，发现了带外/带内反照率比值大于1.2（指示水冰可能存在）的区域，通常对应于那些月表温度年最高值小于110 K的区域，并且发现极区典型撞击坑的带外/带内反照率比值和温度最高值两个参量之间存在较好的负相关关系。Li等[16]通过分析M3获取的月球两极月表近红外反射光谱数据，以及对比了LAMP的紫外反照率比值、Diviner表面温度的观测结果，发现极区尤其是永久阴影区冷阱的表面存在水冰（见图1 ）。这些水冰的分布不仅呈现南北两极的不对称性，它们在阴影区冷阱内的分布也不均匀，呈现斑块状聚集。特别是，水冰的观测点只占两极冷阱区域约3.5%，说明水冰在极区的分布不只受到温度的影响，多种其他因素如月球轨道演化历史、撞击翻耕等都可能显著影响水冰的空间分布[16,26-27]。除了极区的永久阴影区表面可能存在水冰，Ohtake等[28]在极区的一些非阴影区也发现了可能表明地下水冰层（约0.1 m的深度）升华的光谱信号。
2 极区水冰科学问题分析
尽管过去几十年的月球极区水冰研究与探测已对其有了初步较为系统的认识，但受限于现有的轨道遥感探测数据精度的不足以及极区就位探测数据的缺乏，对于极区水冰的了解仍非常有限，许多与极区水冰有关的科学问题尚未得到解决：
（1）月球极区是否有水冰，保存状态和含量是什么？
通过M3红外光谱和LCROSS撞击等观测结果，支持月球极区尤其是永久阴影区存在水冰的观点，并且估算出了水冰的可能含量[14,16]。然而，目前仍缺乏极区水冰是否存在的明确就位观测证据。此外，水冰是如何保存于极区月壤？是以孔隙冰的形式存在，还是以块状水冰聚集的形式存在？目前也存在极大的争议。LCROSS任务观察到了水冰颗粒，考虑到LCROSS的观测是在撞击之后，而撞击的巨大能量很有可能改变了月壤中水冰的原始保存状态，因此撞击前水冰的存在状态并不明确。此外，当研究水冰在极区的含量时，现有的遥感手段非常依赖于模型假设，并且由于非唯一性的影响，反演出的水冰含量也存在极大的不确定性。因此，需要开展极区水冰的就位探测以及更多的高空间分辨率轨道遥感探测，才能更好地解决这些问题。
（2）水和挥发分的组成（元素和同位素）的分布和来源是什么？
现有的遥感探测表明水冰主要分布在极区永久阴影区的冷阱区域里，并且水冰的空间分布不均匀。然而，有些冷阱区域未被探测出有水冰存在，南极Amundsen撞击坑的北部就是其中一个典型的例子[16]。考虑到阴影区极差的光照条件会影响水冰的光谱探测，阴影区内未发现水冰光谱信号的位置仍可能存在水冰。此外，相比暴露于月表的水冰，地下水冰的分布特征更加不明确。
（3）撞击作用、火山活动和太阳风对极区挥发分储库分别的贡献和随时间的演变如何？
（4）月球极区环境下的水冰和挥发分的输运、保存和丢失过程和机制是什么？
研究月球极区水冰和挥发分的输运、保存和丢失过程和机制，对于了解月球上水和挥发分的来源与演变意义重大。当太阳风或者撞击来源的水分子在月球产生后，水分子可能会经历迁移过程。这种迁移既包含水分子在月球外逸层中的迁移，也包含它们在月壤孔隙中移动。目前，针对这两类迁移的研究主要是基于数值模拟的手段[34-35]。这些模型涉及大量参数假定和条件假设，模拟结果对模型设置非常敏感。为了使模拟更加的“真实”，需要大量高精度的轨道和就位观测数据作为约束，甚至需要开展极区原位的实验。以月壤孔隙中的水分子吸附与扩散为例，由于目前缺乏针对极区月壤与水的就位探测与实验，对于极区月壤-水分子的相互作用及自然堆积状态下的月壤孔隙结构等信息的了解非常有限，使得极区水的脱附能、水分子在月壤中扩散系数等物理量有很大的不确定性[36-37]。
水冰受热升华、太阳风溅射、微陨石轰击等过程都可能造成极区水冰的损失，从而显著影响水冰的保存。然而，这些水冰损失机制十分复杂，特别是当综合考虑它们对于水冰保存的影响时，需要进行很多模拟假设甚至简化。一旦获得更多高质量、高分辨率的遥感探测数据以及极区就位观测数据，就能对极区水冰和挥发分的输运、保存和丢失等问题有更深入的认识。
3 “嫦娥”七号任务与南极水冰探测科学目标
“嫦娥”七号月球探测任务是中国探月工程四期的核心任务之一，计划于2026年发射。该任务旨在对月球的地形地貌、物质成分和空间环境进行全面探测。“嫦娥”七号任务的系统配置为“四器一星”，包括轨道器、着陆器、巡视器、飞跃器和中继卫星，涉及绕月飞行、着陆探测、巡视勘察以及飞跃探测四大功能。任务共搭载18台科学载荷，涵盖了月面探测、资源分析、地质勘察以及环境监测等多个领域，为未来的月球资源开发、长期驻留和深空探测提供宝贵数据支持。
“嫦娥”七号任务的科学目标之一是对月壤水冰和挥发组分开展深入探测与研究，以获取月面特别是永久阴影区水冰的含量和分布。并开展月壤挥发组分分析和月球南极阴影区水冰的就位分析，实现存在水冰的直接证认，并揭示其来源。为了实现这一科学目标，“嫦娥”七号配备了6台与水冰相关的科学载荷，分别是轨道器上的月球中子伽玛谱仪、宽谱段红外光谱成像分析仪和月球微波成像雷达；巡视器上的拉曼光谱仪和月壤挥发分测量仪；以及飞跃器上的月壤水分子分析仪。第4节将分别介绍这6台科学载荷的探测目标及其工作原理。
4 南极水冰探测方法
4.1 遥感探测方法
4.1.1 中子伽玛谱仪
搭载于“嫦娥”七号轨道器的月球中子伽玛谱仪可用于测量月球全球尤其是极区月表以下1 m以内氢含量（含水量）和分布，可为南极水冰的车载就位探测和飞跃器探测着陆点的确定提供参考。月球中子伽玛谱仪主要由中子探测器和伽玛探测器两部分组成，氢含量及分布的探测主要与中子探测器有关。中子探测器在100±1 eV时的探测效率大于20%，模数转换器通道数不小于64。
由于银河宇宙线照射，其中的高能粒子轰击月表并与月表物质发生反应，月表会不断释放出中子。按照能量E由小到大划分，月表释放的中子可分为热中子（E<0.4 eV）、超热中子（0.4 eV<E<700 keV）和快中子（700 keV<E<5 MeV）。热中子通常具有较低的能量，主要与月表的元素发生碰撞；而快中子则拥有更高的能量，能够穿透更深的层次；超热中子则处于这两者之间，其能量适中，通常对于月表的氢元素尤为敏感。过往的研究结果表明，超热中子通量与氢含量之间存在显著的负相关关系，当月表氢含量较高时，水分子或氢原子会有效吸收超热中子，导致探测器接收到的超热中子通量下降（见图2 ）[20]。因此，基于探测到的超热中子通量，可得到全球尤其是极区月表的氢含量，从而间接获取水冰的分布。此外，月面快中子对于分析水冰的垂直分布具有十分重要的科学价值。由于快中子可以穿透较深的月壤层，能够为月表下层尤其是深层水冰的分布提供关键线索。
4.1.2 宽谱段红外光谱成像分析仪
“嫦娥”七号轨道器搭载的宽谱段红外光谱成像分析仪，旨在通过轨道环绕的方式，获取高分辨率光谱图像和月面热环境状态，为研究月球矿物资源分布特征和月面热环境特性提供科学依据。该仪器充分利用了月表反射与热发射光谱学原理，可用于探测南极月表水的赋存状态、储量以及空间分布。
宽谱段红外光谱成像分析仪主要由望远镜、可见至短波光谱仪、中长波光谱仪、电子学系统和一维指向机构等组成。其中，望远镜的作用是对月面线视场目标进行一次成像。可见至短波光谱仪是用于对狭缝处一次成像的线视场光信号进行色散，从而形成对应的可见近红外光谱图像与短波红外光谱图像。相应地，中长波光谱仪用于获得中波红外光谱图像与长波红外光谱图像。该仪器主要以推帚式成像方式，在每个驻留时间内获取月球表面线阵空间的辐射能量，由面阵探测器获取线空间（穿轨维）目标色散后的光谱信息（光谱维），并依靠航天器的轨道飞行，逐帧获取月面信息（沿轨维），最终形成光谱图像立方体（穿轨维×光谱维×沿轨维）（见图3 ）。该分析仪的谱段覆盖范围为0.45~10.00 μm。在水吸收谱段，其具有较高的光谱分辨率（在2.6~3.4 μm时为10 nm，在5.8~6.3 μm时为50 nm）以及空间分辨率（全球≤35 m/px，重点区域≤10 m/px）。根据1.4、1.9、2.2、3.0 μm波段处H2O/OH的特征吸收，以及6.1 μm波段水冰的特征吸收，通过获取极区月表的特征光谱，可以辅助判定水冰是否存在。
4.1.3 月球微波成像雷达
“嫦娥”七号轨道器搭载的月球微波成像雷达可对极区着陆区附近的永久阴影区进行高精度成像，识别地形地貌，并分析水冰在极区的可能存在形式及其空间分布。作为一种合成孔径雷达，月球微波成像雷达是通过发射微波信号并接收其回波来生成高分辨率图像。该雷达具有主动式、全天时、多极化、高分辨率成像和月表穿透探测能力。它不受光照条件限制，可用来对极区月表的地形特征进行多维微波成像，特别是可探测永久阴影区等无光照区域。此外，其微波穿透特性可以辅助获取不同月壤厚度下的月表图像，从而开展月壤内部构造的深入研究。月球微波成像雷达的探测最高分辨率为1 m，幅宽为5~20 km，极化方式有单极化、简缩极化和全极化。
在全天时全天候条件下，月球微波成像雷达可以获取几何粗糙度、岩石丰度、月面反射率、极化散射特征参数和介电损耗等参数。当极区存在地下水冰沉积物时，水冰的低损耗特性会增强后向相干散射，导致雷达回波的CPR值增大（见图4 ）。因此，利用获取的雷达回波特征，有助于研究极区地下水冰的空间分布。然而，需要注意的是，石块、表面粗糙度以及坡度等因素也能造成CPR数值的增大，在解译雷达数据时，需要结合其他的多源遥感数据集，排除这些影响因素的干扰。此外，水冰的不同赋存状态会影响其与雷达微波信号的相互作用，从而对应不同的雷达微波散射机制。通过精细检测水冰特征微波信号图像，可有助于区分表层冰霜、显露冰层、混合冰粒、隐伏冰层等不同的水冰赋存形态。
4.2 就位探测方法
4.2.1 月壤挥发分测量仪
搭载于“嫦娥”七号巡视器上的月壤挥发分测量仪主要用来开展极区月壤中的水和其他挥发分含量的就位测量，同时也可测量同位素含量。月壤挥发分测量仪可以测量的挥发分包括H2O、H2、He、Ne、N2、CO、CO2和Ar等，质量数的分析范围为2~150 amu，质量分辨率≤0.5 amu，挥发分含量的检测限优于0.01 wt%。
月壤挥发分测量仪主要由微量取样单元、挥发分制备单元和挥发分测量单元等组成。微量取样单元的主要功能是实现剖面月壤的微量样品定量取样与封装。挥发分制备单元主要用来加热月壤样本到特定温度，从而实现样本中挥发分的提取。挥发分测量单元是月壤挥发分测量仪的主体，包括挥发分转移气体管路、阀门、真空规和四极杆质谱仪等（见图5 ）。气体管路和阀门系统为挥发性气体提供挥发分制备单元到四极杆质谱仪的通道。真空规用于检测腔体内的气压。四极杆质谱仪是月壤挥发分测量仪的核心组件，其主要功能为测量月壤挥发性元素的含量，同时也具备单一元素同位素分析的能力。根据功能不同，四极杆质谱仪可划分为四个组成部分，包括离子源、质量分析器、检测器和电控系统。四极杆质谱仪的基本测量原理为：首先，使挥发分子在离子源中发生电离，分子转化为带电离子；然后，离子进入四极杆质量分析器后在电场的作用下由于各自质量和所带电荷的比值（即质荷比）不同而发生分离，通过分析离子的质量可从其元素组成推断其化学本质与同位素比例；最后，由检测器检测各离子数量得到各种挥发分的含量。
4.2.2 月壤水分子分析仪
搭载于“嫦娥”七号任务中飞跃器的月壤水分子分析仪主要用于确定月球南极小型冷阱、永久阴影区内是否存在水冰，并判断月球水冰来源，为将来月球基地建设提供重要的信息。该分析仪具备以下主要功能：（1）具有对表层和钻取的月壤进行含水量测定的功能；（2）具有对接收样品中H2O分子的测定功能；（3）具有对接收样品中水分子H同位素的测定功能；（4）具有对接收样品中CH4等有机分子的探测功能。月壤水分子分析仪可以实现水的检测限0.1 wt%，以及H同位素分析精度优于50‰的指标要求。
为实现上述功能要求，月壤水分子分析仪由月壤加热提取单元、飞行时间质谱仪、可调谐激光光谱仪、差分吸收光谱仪、气体传输管路、定标组件、真空计组件以及电子学控制单元等组成（见图6 ）。其中，月壤加热提取单元可以将月壤加热到200 ℃以上，有效提取月壤中的水汽和挥发分，具备不少于30次的月壤原位加热分析能力。飞行时间质谱仪利用不同质荷比的离子通过质量分析器到达检测器的时间差异，可以实现月壤中H2O、CH4、CO2等挥发分的测定功能，其质量数范围为1~129 amu。可调谐激光光谱仪利用气体分子的“指纹”吸收特性，可测量月壤中H2O、HDO、H217O、H218O、CO2等气体。差分吸收光谱仪利用月壤水冰反射光谱特征，基于红外激光反射差分光谱探测技术，测量不同水冰波段反射谱信号，对吸收/非吸收波段的差分计算水冰含量。
4.2.3 拉曼光谱仪
“嫦娥”七号任务中，巡视器搭载的拉曼光谱仪可以获取巡视区月壤和月岩的拉曼光谱数据。拉曼光谱是一种新型而且有效的行星表面物质成分探测手段，可用于探测月表矿物、水冰以及其他挥发分的赋存状态和种类。其工作原理如下（见图7 ）：当利用光源照射到物质分子上时，光源会与物质分子相碰撞产生散射光。其中一部分光会在物质的表面发生弹性散射，此时散射光的频率不会发生改变，这部分散射被称为瑞利散射。而另一部分入射光会与物质分子发生能量交换，产生非弹性散射，此时散射光的振动频率发生改变，这部分散射则被称为拉曼散射。拉曼光谱与激发光波长无关，并且对应特定分子结构，光谱谱峰尖锐并且特征固定，因此拉曼光谱可以用于准确识别矿物的种类、结构和化学成分信息。由于液态水和固态冰的拉曼光谱存在显著差异，可以通过拉曼光谱中峰位和峰形对两者进行区分。
根据功能划分，拉曼光谱仪的光学系统由显微成像组件、望远镜组件、指向扫描组件、分光组件、激光器组件和ICCD光谱仪组件等六个模块组成。它是通过激光发射组件，经望远镜向月球表面发射激光，从而产生拉曼光谱，光谱信号经过望远镜再被滤光片滤除掉瑞利散射光和激光器的散射杂光后被光纤会聚镜收集进入延迟光纤，通过延迟光纤进行时间同步的拉曼光谱信号传输到相应的光谱仪进行光谱特征分析。在“嫦娥”七号任务中，拉曼光谱仪的光谱探测范围覆盖300~6 000 cm−1，光谱分辨率为≤16 cm−1。
5 结 语
月球极区水冰的探测与研究已成为国际科学大国月球与深空探测领域的竞争焦点，对于理解月球上水和挥发分来源与演变，以及开展空间资源原位利用意义重大。本文在调研月球极区水冰探测与研究进展的基础上，总结了目前仍未解决的极区水冰相关科学问题，介绍了中国“嫦娥”七号月球探测任务的总体情况及其与南极水冰探测有关的科学目标，讨论了“嫦娥”七号任务里涉及的南极水冰探测方法。
根据现有的雷达、光谱等遥感探测以及LCROSS撞击观测结果，月球水冰主要分布在极区永久阴影区的冷阱中，但其分布非常不均匀，部分冷阱甚至未探测到水冰。然而，受限于缺乏更多高分辨率的轨道遥感以及极区就位观测数据，极区水冰存在的明确证据、水冰保存状态与含量、空间分布特征、来源以及水冰的输运与丢失机制等一系列科学问题尚未得到解决。
计划于2026年发射的“嫦娥”七号月球探测任务，其重要科学任务之一就是南极水冰的探测与研究。“嫦娥”七号的轨道器、巡视器以及飞跃器都会配置水冰探测相关的科学载荷，来开展针对月球南极水冰的高精度轨道遥感和就位协同探测。通过月球中子伽玛谱仪、微波成像雷达和宽谱段红外光谱成像分析仪，可获取南极水冰的空间分布特征。利用月壤水分子分析仪可以获取飞跃器着陆点的水分子以及氢同位素的精确探测数据，可以实现水冰的直接证认，并揭示水的来源。利用月壤挥发分测量仪可以进一步获取巡视区内水分子和月壤稀有气体的含量和分布信息。